变压器毕业设计论文

1 概述
1.1变压器的基本概念
电力变压器是一种静止的电气设备，是用来将某一数值的交流电压（电流）变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压（电流）的设备。

当一次绕组通以交流电时，就产生交变的磁通，交变的磁通通过铁芯导磁作用，就在二次绕组中感应出交流电动势。

二次感应电动势的高低与一二次绕组匝数的多少有关，即电压大小与匝数成正比。

主要作用是传输电能，因此，额定容量是它的主要参数。

额定容量是一个表现功率的惯用值，它是表征传输电能的大小，以kVA或MVA表示，当对变压器施加额定电压时，根据它来确定在规定条件下不超过温升限值的额定电流。

1.2变压器的发展趋势
我国配电变压器通常是指电压为35kV和10kV及以下、容量为6300kVA以下直接向终端用户供电的电力变压器。

目前全国网上运行的配电变压器总电能损耗约为411亿kWh，约占2000年总发电量的3.16%。

尽管配电变压器已是高效率的设备（95-99%），但由于其数量巨大和空载耗电的固定性，变压器效率即便微小的改进也能获得相当大的能源节约和减少温室气体的排放，因此其本身存在着巨大的节能潜力。

90年代后期，我国配电变压器行业发展速度较快。

1997年以来，由于受到城乡电网改造工程的拉动，电力变压器行业保持了良好的发展势头。

1999年电力变压器产量增长24.81%。

2000年电力变压器产量增长15.88%, 配电变压器的数量比重增加：1999年配电变压器数量比重由1998年的34.72%上升到39.51%，增长5个百分点；2000年配电变压器数量比重为36.89%。

（10kV 6,300KVA及以下变压器产量为304,099台，41,778KVA，35kV 6,300KVA及以下变压器产量为7,821台，9316.4KVA）。

城乡电网改造工程所选用的油浸式配电变压器设备已经全部实现了由S7型向S9型的转变。

随着市场经济的发展和科技的不断进步，新材料、新工艺的不断应用，新的低损耗配电变压器相继开发成功。

国内许多变压器制造厂商投入了大量资金引进国外先进的制造技术及设备，不断研制开发低损耗变压器和各种结构形式的变压器，如油浸变压器已出现比新S9系列更节能的S10、S11系列，新干式变压器的
SC9系列以及非晶合金铁心等低损耗等产品都显示了我国配电变压器的节能潜力。

此外，在网上运行的配电变压器中役龄超过20年效率低的老旧变压器约占10%以上，估算容量约为2.4亿kVA,这些变压器是按照六、七十年代标准设计的产品，损耗非常高，如果花一定投资用S9去替换老旧变压器必定会获得很大经济效益。

依不同容量的计算，购置 S9变压器去替换旧变压器的投资回报年一般只需2~3年（未计旧变压器回收费和拆装费条件），其节能潜力巨大。

2 变压器
2．1变压器的结构
变压器（指较大容量的变压器而言）一般是由铁芯、绕组、油箱、绝缘套管和冷却系统等五个主要部分所组成。

如下图
铁心是变压器中主要的磁路部分。

通常由含硅量较高，厚度为 0.35 或 0.5 mm，表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。

变压器的铁芯结构其基本形式有两种，一种叫芯式铁芯，也叫内铁式铁芯。

另一种叫壳式铁芯，也叫外铁式铁芯。

绕组是变压器的电路部分，它是用纸包的绝缘扁线或圆线绕成。

国产的电力变压器一般采用同心绕组，所谓同心绕组就是在铁芯柱的任一横断面上，绕组都是以同一圆心的圆筒型线圈套在铁芯柱的外面。

同心绕组按其结构不同可以分为圆筒式，分段式，连续式，双饼式，纠结式，螺旋式等。

油箱是油浸式变压器的外壳，器身就放在此油箱内，箱内灌满了变压器油，变压器油有两种作用，一方面作为绝缘介质，另一方面作为散热的介质，即通过变压器油的循环，将绕组和铁芯中散发出来的热量，带给箱壁和散热器、冷油器进行冷却。

变压器的绝缘套管是将变压器内部的高、低压引线引到油箱的外部，不但作为引线对地的绝缘，而且担负着固定引线的作用。

因此，必须具有制造标准中规定的电气电气强度和机械强度。

变压器的冷却系统的冷却方式按其容量的大小可以分为：油浸自冷式、油浸风冷式、强迫油循环冷却式。

2．2变压器的用途及分类
一、变压器的用途
变压器是一种静止的电气设备,属于一种旋转速度为零的电机。

它是发电厂和变电所的主要设备之一。

电力变压器在系统中工作时,可以将电能由它的一次测经电磁能量的转换传输到二次测,同时根据输配电的需要将电压变高或变低。

所以,变压器在电能的生产传输和分配使用的全过程中，其作用显然十分重要的。

在整个电力系统中，变压器的容量通常约为发电机容量的3倍以上。

变压器的作用是多方面的不仅能升高电压把电能送到用电地区，还能把电压降低为各级使用电压，以满足用电的需要。

总之，升压与降压都必须由变压器来完成。

在电力系统传送电能的过程中，必然会产生电压和功率两部分损耗，在输送同一功率时电压损耗与电压成反比，功率损耗与电压的平方成反比。

利用变压器提高电压，减少了送电损失。

变压器在变换电压时。

是在同一频率下使其二次侧与一次测具有不同的电压和不同的电流。

由于能量守恒的缘故，其二次测与一次测的电流与电压的变化是相反的，即要使某一侧电路的电压升高时，则该侧的电流就必然减少；反之，当电压降低时电流就一定增大。

变压器并不时也决不能将电能的量变大或变小。

在电力的转变过程中，因为变压器本身要消耗一定能量，因此输入变压器的总能量，应等于输出的能量加上变压器笨身消耗的能量。

由于变压器无旋转部分，工作时无机械损耗，而且新产品在设计和结构、工艺等方面采取了众多节能的有效措施，
所以它的工作效率很高。

通常中小型变压器的效率不低于95％，大容量变压器的效率则可达98％以上。

二、变压器的分类
生产中应用较广泛的变压器有：
（1）电力变压器。

它在电力网中用于输电、配电所需的升压和降压，是用得最为普遍得一种变压器。

（2）起动变压器。

是一种将一、二次绕组合为一个绕组的单绕组变压器（属于小容量自耦变压器），主要用作笼型异步电动机的减压起动器。

（3）调压变压器。

用于小容量负荷的电压调整，同时也是实验室常用的一种变压器。

型式多为自耦式和感应式调压型，主要供试验时调压用。

（4）试验变压器。

一般为单相变压器，能产生高电压，用于电气设备的绝缘进行高压试验
（5）仪用互感器。

它是一种特殊变压器，主要用于测量仪表和继电保护装置，将高电压变为低电压或将大电流变为小电流，再输入仪表检测或供给保护用。

前者常称电压互感器，后者则称电流互感器。

2．3变压器的工作原理
变压器是基于电磁感应原理而工作的。

正式因为它的工作原理以及工作时内部的电磁过程与电机（发电机和电动机）完全相同，故将它划为电机一类，仅是旋转速度为零（即静止）而已。

变压器本体主要由绕组和铁芯组成。

工作时，绕组是“电”的通路，而铁芯则是“磁”的通路，且起绕组骨架的作用。

一次测输入电能后，因其交变故在铁芯产生了交变的磁场（即由电能变成磁场能）；由于匝链（穿透），二次绕组的磁力线在不断地交替变化，所以感生出二次电动势，当外电路沟通时，则产生了感生电流，向外输出电能（即由磁场能又转变为电能）。

这种“电—磁—电”地转换过程是建立在电磁感应原理地基础上而实现的，这种能量转换过程也就是变压器的工作过程。

下面再由理论分析及公式推导来进一步加以说明：在单相变压器的原理图中（下图），
图2－1
闭合的铁芯上绕有两个互相绝缘的绕组。

其中接入电源的一侧叫一次绕组，输出电能的一侧叫二次绕组当交流电源电压U1加到一次绕组后，就有交流电流I1通过该绕组并在铁芯中产生交变磁通ф。

这个交变磁通不仅穿过一次绕组，同时也穿过二次绕组，两个绕组中将分别产生感应电动势E1和E2。

这时若二次绕组与外电路的负载接通，便会有电流I2流入负载Z ，即二次绕组就有电能输出。

根据电磁感应定律可以推出：
一次绕组感应电动势 )(1044.4411V S B fN E m -⨯=
二次绕组感应电动势 )(1044.4422V S B fN E m -⨯=
式中f ——电源频率（Hz ）,工频为50Hz ；
1N —— 一次绕组匝数，匝；
2N ——二次绕组匝数，匝；
m B —— 铁芯中此同密度的最大值，T ；
S —— 铁芯截面积，2cm ；
由上两式可以得出 2
121N N E E = 足见，变压器一、二次测感应电动势之比等于一、二次侧绕组匝数之比。

由于变压器一、二次测的漏电抗和电阻都比较小，可忽略不计，故可近似的认为：U1=E1;U2=E2.于是有
K N N E E U U ==≈2
12121 式中 K —— 变压器的变压比。

变压器一、二次绕组的匝数不同，将会导致一、二次绕组的电压高低不等。

显然，匝数多的一边电压高，匝数少的一边电压低。

这就是变压器之所以能够改变电压的道理。

在一、二次绕组电流I1、I2的作用下，铁芯中总的磁式为
102211N I N I N I =+
式中0I —— 变压器的空载励磁电流。

由于0I 比较小（通常不超过额定电流的3％～5％），在数值上可忽略不计，故上式可演变为
0102211≈=+N I N I N I
进而可推得 2211N I N I -= K
N N I I 12121== 可见，变压器一、二次电流之比与一、二次绕组的匝数成反比。

即绕组匝数越多的一侧电流小，匝数少的一侧电流大；也就是电压高的一侧电流小，电压低的一侧电流大。

2.4 变压器空载损耗、负载损耗、阻抗电压的计算
空载损耗：当变压器二次绕组开路，一次绕组施加额定频率正弦波形的额定电压时，所消耗的有功功率称空载损耗。

算法如下：
空载损耗=空载损耗工艺系数×单位损耗×铁心重量
负载损耗：当变压器二次绕组短路（稳态），一次绕组流通额定电流时所消耗的有功功率称为负载损耗。

算法如下：
负载损耗=最大的一对绕组的电阻损耗+附加损耗
附加损耗=绕组涡流损耗+并绕导线的环流损耗+杂散损耗+引线损耗
当变压器二次绕组短路（稳态），一次绕组流通额定电流而施加的电压称阻抗电压Uz 。

通常Uz 以额定电压的百分数表示，即uz=(Uz/U1n)*100%
匝电势：
u=4.44*f*B*At,V
其中：B—铁心中的磁密，T
At—铁心有效截面积，平方米
可以转化为变压器设计计算常用的公式：
当f=50Hz时：u=B*At/450*10^5,V
当f=60Hz时：u=B*At/375*10^5,V
如果你已知道相电压和匝数，匝电势等于相电压除以匝数变压器空载损耗计算—变压器的空载损耗组成。

空载损耗包括铁芯中磁滞和涡流损耗及空载电流在初级线圈电阻上的损耗，前者称为铁损后者称为铜损。

影响变压器空载损耗铁损的因素很多，以数学式表示，则
式中Pn、Pw——表示磁滞损耗和涡流损耗
kn、kw——常数
f——变压器外施电压的频率赫
Bm——铁芯中最大磁通密度韦／米2
n——什捷因麦兹常数，对常用的硅钢片，当Bm=（1．0～1．6）韦／米2时，n≈2，对目前使用的方向性硅钢片，取2．5～3．5。

根据变压器的理论分析，假定初级感应电势为E1（伏），则：
E1=KfBm（2）
K为比例常数，由初级匝数及铁芯截面积而定，则铁损为：
由于初级漏阻抗压降很小，若忽略不计，
E1=U1（4）
可见，变压器空载损耗铁损与外施电压有很大关系如果电压V为一定值，则变压器空载损耗铁损不变，（因为f不变），又因为正常运行时U1=U1N，故空载损耗又称不变损耗．如果电压波动，则空载损耗即变化。

变压器的铁损与铁芯材料及制造工艺有关，与负荷大小无关.
2.5变压器并列运行
电力变压器要考虑运行的经济性，特别是对于多台变压器的变电站。

由于经济与合理运行的需要，常常采取将两台或多台变压器并列运行或解列运行。

一、变压器并列运行的意义
1.提高供电的可靠性。

当某台变压器发生故障时，此时并列运行的其他变压器还可以继续保持供电。

2.提高运行的经济性。

调度可以根据负荷的变化投切部分变压器以减少电能损耗，提高运行效率，从而提高运行的经济性。

3.可以分期安装变压器。

如变电站的负荷是遂渐增加的，相应可以遂年根据需要安装并列变压器，从而减少初次投资，充分发挥资金的经济效益。

4.有利于安排变压器的检修。

二、变压器并列运行的条件
变压器并列运行时，理想的运行情况是：变压器已经并列运行而没有带负荷时，各变压器与单独空载运行时一样，只有空载电流，各变压器之间没有还流存在：当带上负荷以后，各变压器能够按期容量的大小从成比例地分配负荷，即大容量的变压器多分担负荷，小容量的变压器少分担负荷。

为达到上述理想运行情况，并列运行的变压器必须满足下列条件：
1.变压器应联结组标号相同；
2.变压器的电压比应相等，其电压比最大允许相差±0.5%;
3.变压器阻抗电压百分比应相等，允许相差不超过±10%;
4.变压器容量比，不超过3：1。

三、变压器并列运行应注意的事项
变压器并列运行时，除应满足并列运行条件外，还应该注意安全操作，一般应考虑以下各方面：
1.投入运行和检修后的变压器，在并列之前，首先应进行核相，并在变压器空载状态时试并列后，方可正式并列运行带负荷；
2.变压器的并列，必须考虑并列运行的经济性，不经济的变压器不允许并列运行，同时，还应注意不宜频繁操作；
3.行变压器的并列或解列操作时，不允许使用隔离开关和跌开熔断器。

并列和解列运行要保证正确的操作，不允许通过变压器倒送电；
4.要并列运行的变压器，在并列运行之前应根据实际情况，预计变压器负荷电流的分配，在并列之后立即检查两台变压器的运行电流分配是否合理。

在需解列变压器或停用一台变压器时，应根据实际负荷情况，预计是否有可能造成一台变压器的过负荷。

而且也应检查实际负荷电流，在有可能造成变压器过负荷的情况下，变压器不准进行解列操作。

2．5变压器的油箱
油浸式电力变压器的冷却方式，按其容量大小可分为油浸自冷、油浸风冷及强迫油循环风冷或水冷三类。

其油箱（也叫箱壳）的结构与它的容量大小有关，通常可分为平顶及拱顶两种。

平顶油箱的箱盖是平的，多用于6300KVA以下的的变压器；拱顶油箱的箱沿设在下部，上节箱身做成推圆形，它的机械强度较高，所需的油量也较少。

油箱即是外壳，有是盛变压器油的容量，对于中、小型变压器，油箱又是对外散热的冷却装置。

变压器在工作时有能量损失，消耗转变为热。